충돌 이론: 반응 속도에 영향을 미치는 정의 및 요인

September 27, 2023
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충돌 이론: 반응 속도에 영향을 미치는 정의 및 요인 – 충돌이론(Collision Theory)이라는 용어를 들어보신 적이 있나요? 물리학과 학생들에게 이것은 물론 외국어가 아닙니다. 하지만 무슨 뜻인지 이해가 안 되시는 분들은 아래 글을 읽어보시면 더 잘 아실 수 있을 거에요. 토론을 살펴보겠습니다.

충돌 이론: 반응 속도에 영향을 미치는 정의 및 요인

충돌 이론은 화학 반응이 어떻게 일어날 수 있는지, 그리고 왜 반응 속도가 반응마다 다를 수 있는지에 대한 질적 설명입니다. 충돌 이론은 1916년 막스 트라우츠(Max Trautz)에 의해 처음 제안되었습니다. Max는 반응물 입자가 서로 충돌할 때 충돌의 단지 몇 퍼센트만이 유효 충돌로 알려진 화학적 변화를 일으킨다고 말했습니다.

효과적인 충돌이 일어나기 위해서는 분자 충돌의 방향이 정확해야 합니다. 방향은 분자간 충돌의 방향 또는 위치입니다. 충돌이 발생하기 전에 입자에는 활성화 에너지(Ea)로 알려진 최소 에너지가 필요합니다. 활성화에너지는 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지이다. 이 에너지는 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 데 사용되어 반응 생성물이 형성됩니다.

움직이는 분자는 운동 에너지를 갖습니다. 움직임이 빠를수록 더 큰 운동 에너지가 진동 에너지로 변환됩니다. 초기 운동 에너지가 크면 충돌하는 분자가 강하게 진동하여 분자의 여러 화학 결합이 끊어집니다. 반응 생성물의 형성은 첫 번째 단계로 결합이 끊어지는 것부터 시작됩니다. 그러나 초기 운동 에너지가 작으면 분자는 그냥 튕겨져 나가고 그대로 유지됩니다. 반응이 일어나려면 최소 충돌 에너지가 충족되어야 합니다. 따라서 반응이 일어나기 위해서는 충돌하는 분자들의 총 운동에너지가 활성화 에너지(Ea) 이상이어야 합니다. 운동에너지가 활성화에너지보다 작으면 분자는 그대로 남아 반응이 일어나지 않습니다.

화학 반응은 반응 물질(시약)의 입자가 서로 충돌할 때 발생합니다. 그러나 발생하는 모든 충돌이 새로운 물질을 생성하는 것은 아닙니다. 완전충돌을 통해 새로운 물질이 생성될 수 있다. 완전 충돌을 유효 충돌이라고 합니다. 서로 충돌하는 물질 입자가 즉시 결과 물질로 변하지 않는 경우가 있습니다. 이러한 충돌은 먼저 활성화된 복합 분자라고 불리는 복잡한 분자를 형성합니다. 활성화된 복합체 분자의 형성은 활성화 에너지와 관련이 있습니다. 활성화 에너지(EA)는 반응이 일어날 수 있도록 활성화된 복합 분자를 형성하는 데 필요한 가장 낮은 충돌 에너지입니다.

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기본 충돌 이론

반응을 일으키는 충돌은 활성화 에너지보다 큰 에너지를 갖는 입자 사이의 충돌입니다. 활성화 에너지 값이 작을수록 반응이 더 빨리 진행됩니다.

P + Q → R + S 반응은 P + Q가 최소 활성화 에너지를 갖는 경우 발생할 수 있습니다. 최소 활성화 에너지가 존재하면 반응물의 충돌 에너지가 > Ea인 경우 충돌이 발생하여 에너지를 생성할 수 있습니다.

기체분자의 운동론에 기초한 충돌이론은 다음과 같은 내용을 기술하고 있다.

가스는 분자간 거리보다 작은 가스 분자로 구성됩니다.
가스 분자는 항상 모든 방향으로 직선으로 움직입니다.
가스 분자와 용기 벽 사이의 충돌은 완전 탄성입니다. 즉, 가스 분자는 에너지 손실 없이 다시 반사됩니다.
가스 분자의 이동 속도는 온도 변화에 영향을 받습니다. 온도가 높을수록 가스 분자의 이동 속도가 빨라집니다.
기체 분자의 평균 운동 에너지는 동일한 온도에서 동일하거나 질량에 영향을 받지 않습니다.
화학 반응의 반응 속도는 여러 요인의 영향을 받습니다. 반응 속도에 영향을 미치는 요인을 변경하여 반응 속도를 제어할 수 있습니다. 그러나 여러 요인의 변화가 있는 실험 데이터의 경우 모든 요인이 항상 영향을 미치는 것은 아닙니다.

반응 속도에 영향을 미치는 요인

집중

집중은 충돌 빈도와 관련이 있습니다. 반응하는 물질 입자가 많아질 때까지 농도는 계속 증가합니다. 결과적으로 아마도 반응물 입자 사이의 충돌은 계속해서 커질 것이며 입자 사이의 효율적인 충돌도 계속해서 증가할 것입니다. 이런 식으로 대응은 계속해서 빨라질 것입니다.

표면적

표면적이 계속 커지면 반응물 간의 접촉도 계속 커질 가능성이 있습니다. 이렇게 하면 충돌 빈도가 증가하여 보다 효율적인 충돌이 발생합니다. 효율적인 충돌 빈도를 높이면 응답 속도가 높아집니다.

온도

온도가 증가하면 반응물 분자의 운동에너지도 증가한다. 큰 운동 에너지가 존재하면 분자간 움직임이 계속해서 번개처럼 무작위로 발생합니다. 결과적으로 충돌이 일어나는 빈도는 계속해서 늘어나고, 효율적인 충돌도 계속 증가하여 대응이 계속해서 빠르게 일어나게 될 것입니다.

촉매

촉매는 영구적인 화학적 변화를 겪지 않고 반응 속도를 가속화하여 반응이 끝나면 물질을 회수할 수 있는 물질입니다. 촉매는 2가지, 즉 균일 촉매와 불균일 촉매로 구분됩니다.

균일 촉매는 반응물 상과 동일한 상을 갖는 촉매입니다. 한편, 불균일 촉매는 반응물 상과 다른 상을 갖는 촉매이다. 일반적으로 불균일 촉매는 고체 형태로 사용됩니다. 한편, 반응물은 기체 형태이다.

촉매가 축적되면 활성화 에너지(Ea)가 낮은 다른 경로를 제공하는 추가 반응 단계가 발생합니다. 활성화 에너지(Ea)는 입자의 충돌이 반응을 일으키기 위해 입자가 소유하거나 부여해야 하는 최소 에너지입니다. 보너스 응답 단계는 촉매제 결합 세션과 응답 종료 시 촉매제 해제 세션의 형태를 취합니다. 촉매는 특별한 특성을 가지고 있습니다. 즉, 특정 반응으로만 작용할 수 있습니다.

촉매의 역할은 활성화 에너지를 줄이는 것입니다. 촉매제가 있으면 반응이 여러 세션에 걸쳐 발생하게 됩니다. 화학 반응의 일련의 반응 단계를 반응 메커니즘이라고 합니다. 응답 메커니즘, 즉 응답 속도를 결정하는 세션에서는 응답 세션이 매우 느립니다.

님의 리뷰입니다 Seputartahu.co.id ~에 대한 충돌 이론, 유용하길 바랍니다.

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